分离轨车辆功率架构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及分离轨(split-rail)车辆功率架构。
【背景技术】
[0002]混合动力电动力传动系能命令发动机z空转条件自动停止，以改善燃料经济性。在自动停止事件之后，电动机/发电机单元(MGU)可以用于快速重新起动发动机。在一些混合动力传动系构造中，除了在电辅助模式下从发动机而来的输出扭矩外，从MGU而来的电动机输出扭矩也可以按照需要使用。在再生制动或其他再生事件期间，从MGU而来的负扭矩可以用于为电池充电。可以使用电池中存储的能量，以代替为了在正常驾驶状况期间支持车辆的辅助负载而产生能量，由此降低燃料消耗。常规的车辆可以不使用带起动系统，但是可以代替地使用起动器电动机，以自动起动发动机。带驱动的发电机按照需要严格地用于在具体运行条件下的高功率再生，例如巡航或制动，或用于在正常的运行条件下进行稳定发电。
[0003]强/完全或柔性混合动力传动系通常额定为约30-360VDC。这种电压水平被视为相对于12VDC的辅助电压水平来说是高压。因此，单独的高压电池用于为MGU和相关的功率电子装置提供功率，而辅助电池可以用于为辅助车辆负载提供功率，辅助车辆负载例如是大灯、加热或空气调节系统吹风机、风挡擦拭器电动机等。
[0004]尽管强/完全且柔性混合动力传动系可以利用超过30VDC的DC电压水平，较小的“微”混合动力传动系极大地降低电行驶的所需额定功率，从而电流可被容易地以额定电压水平控制，其通常低于30VDC。因为电行驶系统的成本的重要部分取决于MGU和相关的功率电子器件的所需尺寸和额定功率，所以微混合动力传动系在一定市场条件下可以是对常规的混合动力设计的可行替换。
【发明内容】
[0005]本文公开一种用于混合动力电动车或常规车辆的“分离轨”电架构。所公开的设计目的是相对于常规的设计使得系统损失最小化和降低车辆成本。如本领域已知的，电弧故障会需要任何电系统中的特别操作，而且在具有相对高压水平(例如18VDC或更高)的系统中尤其如此。本方法经由分离轨架构(其将各轨的电压水平保持在电学地的预定范围中)可以降低对电弧故障检测和用在强韧/完整且柔性混合动力功率架构的电压隔离电路的需要。根据本发明本领域技术人员易于理解这些和其他可能的优点。
[0006]在可行的构造中，车辆可以包括内燃发动机、变速器和电系统。电系统利用两个不同电池或能量存储系统:推进能量存储系统(P-ESS)，例如具有24 - 30VDC的额定电压，和较低的电压辅助ESS(A-ESS)，例如具有12-15VDC的额定电压，或为P-ESS的电压水平的约一半。P-ESS和A-ESS每一个具有相应的正和负端子。控制器可以包括在车辆设计中，以通过发动机的起动/停止、再生和电辅助模式控制动力传动系，且将推进能量存储装置端子电压量值维持在相对于车辆底盘(即电学地)的额定的12 - 18VDC极限中，所述车辆底盘在本文被称为“底盘地”。
[0007]在本文公开的分离轨功率架构中，P-ESS的正端子电连接到A-ESS的正端子，且A-ESS的负端子电连接到底盘地。并非连接到与A-ESS的负端子共用的电学地，代替地，允许P-ESS的负端子的电压水平相对于A-ESS的负端子处的电压水平变化或“浮动”。
[0008]通过不将P-ESS的负端子连接到共用地，例如连接到底盘地，P-ESS的负端子被迫保持在底盘地的电压水平的预定范围中，例如底盘地的12 - 18VDC中。DC推进总线相对于底盘地的正轨和负轨的这种分离由此允许DC总线轨的绝对电压保持在额定辅助系统的极限中。本发明的设计由此消除与24VDC或更高电压水平相关的许多接地故障有关的电弧击穿问题。
[0009]具体实施例中的车辆包括底盘，发动机，连接到发动机的变速器，连接到发动机的曲轴且可操作为选择性地为发动机提供功率的多相电机，和电系统。电系统包括DC推进能量存储系统(P-ESS)和DC辅助能量存储系统(A-ESS)，其每一个具有相应正和负端子。P-ESS和A-ESS的正端子彼此电连接。A-ESS的负端子电连接到底盘，从而底盘形成电学地。P-ESS的负端子不连接到电学地，从而允许P-ESS的负端子的电压水平相对于电学地的电压水平浮动或变化。
[0010]P-ESS的电压水平可以为约24到-30VDC的范围，在这种情况下预定电压范围为约12 - 15VDC的范围。
[0011]车辆也可以包括功率逆变模块(PM)和控制器。在一些实施例中，PM、DC-DC转换器系统和MGU可以整合，即PM和DC-DC可以封装到MGU的壳体中，以便使得线缆路线和连接件最小化。PM具有经由AC推进总线电连接到MGU的交流(AC)侧和电连接到P-ESS的正端子和负端子的DC侧。在常规的车辆的情况下，电气发电机可以具有整合的主动或被动整流器和场调节器电路，以控制在发电机的给定旋转速度下的输出电压和/或电流。
[0012]车辆也可以包括DC-DC转换器系统，DC-DC转换器系统具有系接在一起且连接到A-ESS和P-ESS的正端子的正输入端子和正输出端子。DC-DC转换器系统可以包括电连接到P-ESS的负端子的负输入端子。在该实施例中DC-DC转换器系统的负输出端子可以电连接到A-ESS的负端子。
[0013]DC-DC转换器可以包括第一和第二半导体开关和栅极驱动电路。控制器选择性地将脉宽调制开关信号传递到半导体开关，以分别建立DC-DC转换器系统的降压模式和升压模式。
[0014]车辆可以包括连接到曲轴的第一带轮、连接到电机的第二带轮和连接在第一和第二带轮之间的传动带。针对带传动交流发电机起动器(BAS)系统提供这种实施例。车辆可以包括在曲轴的飞轮上的第一环齿轮和在辅助起动器电动机的轴上的、与第一环齿轮机械接合的第二小齿轮。在这样的实施例中，在常规的动力传动系中实现发动机的齿轮起动。
[0015]还公开了用于如上所述车辆的电系统。在可行的构造下，电系统包括AC推进总线、具有正端子和负端子的DC推进能量存储系统(P-ESS)、DC推进总线、例如用于混合动力车辆的功率逆变模块(P頂)、或在常规的车辆中的整流器和电压调节器模块、和DC辅助能量存储系统(A-ESS)。PIM或整流器/调节器具有经由AC推进总线电连接到电机的AC侧和电连接到P-ESS的正端子和负端子的DC侧。
[0016]该实施例的A-ESS具有正端子和负端子。P-ESS和A-ESS的正端子彼此电连接而A-ESS的负端子电连接到底盘以形成电学地。另外，P-ESS的负端子不连接到电学地，从而允许P-ESS的的负端子的电压水平相对于电学地的电压水平浮动或变化。
[0017]本发明提供一种车辆，包括:底盘；内燃发动机，具有曲轴；变速器，具有连接到曲轴的输入构件；多相电机，其连接到曲轴，且可操作为用于以下功能中的至少一种:选择性地起动发动机、选择性地辅助发动机的输出扭矩、和产生电功率；和电系统，具有直流(DC)推进能量存储系统(P-ESS)和DC辅助能量存储系统(A-ESS)，这两个能量存储系统每一个具有相应的正端子和负端子；其中，P-ESS的正端子和A-ESS的正端子彼此电连接，A-ESS的负端子电连接到底盘，从而底盘形成电学地，且P-ESS的负端子不连接到电学地，从而允许P-ESS的负端子的电压水平在电学地的预定电压范围中浮动或变化。
[0018]在所述的车辆中，P-ESS的电压水平为约18-30VDC的范围，且P-ESS的负端子的预定电压范围为约12 - 15VDC电学地的范围。
[0019]在所述的车辆中，多相电机为电动机/发电机单元(MGU)，车辆进一步包括功率逆变模块(P頂)和控制器，其中PM具有交流(AC)侧和DC侧，所述交流侧经由AC推进总线电连接到MGU，所述DC侧电连接到P-ESS的正端子和负端子。
[0020]所述的车辆进一步包括DC